应用物理期末论文：激光原理.doc

激光原理

一、激光的发现

最早在1917年爱因斯坦首次预言受激发射激光，历史上首先在微波波段实现量子放大；1954年C.H.70wnes, I.P.Gorden , HJ.Zeiger使用氨分子射来实现Maser向更短波长进发ammonia beam maser； 1958 年-------------------- A.L.Schawlow, C.Htownes, A.M.Poxopob 提出将Maser

原理推广到光波段--- laser； 1960 年 --- T.H.Maiman of Bell Lab

红宝石首次实现laser波长为6943A红光。

二、激光产生的原理和条件

两能级原子与光的相互作用

1、自发发射一一处于激发态的原子自发地从高能级E2跃迁到低能级E1同时发射光子。

2、受激吸收一一处于低能级E1的原子受到外来光子且能量恰好等于一对能级差的刺激并吸收之而跃迁到上能级E2.

单位时间单位体积原子受激吸收的能量为：C12u(v21)Nihv2i

受激吸收过程

受激辐射过程 hv -A/W- hv

吸收前 ，

诱发光子的能量：小，=E 2 -E]

受激辐射前 1. 1917年，爱因斯坦首先预言了 “受激辐射”过程。

3、受激发射一一上能级E2的原子受到外来能量刚好等于一对能 级差的光子刺激而跃迁到下能级E],同时发射出一个与外来光子 完全一样的光子（频率、偏振方向和相位都相同）。

单位时间单位体积内原子受激发射的能量为：Bi2U （v 2i ）N 2hv2i 对于一个原子体系来说，若U （V21）的光讯号存在，从受激发射的 角度而言净的受激发射能量将是：

Bi2U （V2i ） Nzhvzi C12U （V21） N]hv2i —（N2~N I ） Bi2U （V2i ）hV2i

因此，要产生净的受激发射必须使高能级原子数密度N2大于低 能级原子数密度N1,但在一般热平衡条件下，它们满足波尔兹 曼分布：

^2 _ LE.E\）jKT

—V

N 、 由于E2VE]则N2〈N I .所以总是受激吸收超过受激发射，不能产生 激光•为了产生净的受激发射，必须破坏热平衡状态使N 2>N X 即实

产生激光的必要条件: 实现粒子数反转。 n 2>n x

三、氮钗激光器 1、氮麻激光线的能级的粒子数反转原理图

厂碰掠交换（共振）、 — _顼"—激发态 E ，

3—<£>—€>-<2>^— hv I ■

632.8 nm —

—II 总态 自发辐射

现粒子数反转.

3.粒子数反转

c a c c c c a

粒子数反转

^>•0基态

He 氮氧激光系统的能级图

He.Nc

激光器结构示意图 222 2、 光学谐振腔：

作物质・・=二 ------ — 伽 m ■一

全反射镜

部分反射镜

3、 激光产生的三个条件：

1） 、实现粒子数反转的激光工作介质。常用的介质有红宝石、气 体、液体、固体、半导体等。

2） 、激励源。一般有电激励源、光激励源、热激励源、化学激励 源等。

3）、谐振腔。

四、激光的主要特点及应用:

1、方向性好:由激光器发出的激光方向性极好，几乎是平行的。 这种良好的方向性，使得激光在测距、通信、雷达定位等方面发 挥着巨大的作用。

2、 良好的单色性。光的单色性是指光源发射的光波长范围很小， 布儒斯特窗 球面反射镜 阳极 (1()0 % 反射) 布儒斯特窗

I 放电管 阴极 球血反射镜 (98 %反射)

这个范围叫做单色光的谱线宽度,谱线宽度越小，其单色性越好, 它的颜色就越单纯。激光的单色性非常好，是目前世界上发光颜色最单纯的光源。如在光子加工和精密机械制造工业中，它能够保证很高的测量精度。

3、高亮度。由于激光的方向性好，能量在空间沿发射方向可高度集中，亮度比普通光源有极大的提高。利用激光的这个特性可对材料进行打孔、切割和焊接等。

4、相干性好。当激光束经过分束装置被分为两束，则此两束光具有良好的相干性，所产生的干涉条纹非常清晰。激光极好的相干性，使它在通信、显示、测量、光谱分析、信息存储等领域获得了广泛的应用。